納米聲學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，隨著納米聲學(xué)性能的擴(kuò)展和技術(shù)的完善，納米聲學(xué)應(yīng)用正迅速發(fā)展。本文簡(jiǎn)要探討了納米聲學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用，包括納米聲學(xué)傳感、納米聲學(xué)操縱和納米聲學(xué)表征，并對(duì)其未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

什么是聲學(xué)？

“聲學(xué)（Acoustics）”一詞源于希臘語(yǔ)單詞“Akoustos”，意思是“聽(tīng)得見(jiàn)的”。聲學(xué)是一門(mén)研究聲音的產(chǎn)生、傳播、控制和效果的科學(xué)。聲學(xué)涵蓋一系列主題，包括噪聲控制、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的超聲波、熱聲制冷、生物聲學(xué)、導(dǎo)航聲納、納米聲學(xué)、地震學(xué)和電聲通信等。

超聲波的頻率高于人耳聽(tīng)力范圍（高于20 kHz）。通常，超聲波通過(guò)采用壓電材料的換能器產(chǎn)生，利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為聲能。

納米聲學(xué)背景

20世紀(jì)80年代，隨著納米科學(xué)的進(jìn)步，納米技術(shù)開(kāi)始受到學(xué)界各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注。用于超聲研究的納米材料和納米器件，徹底改變了應(yīng)用超聲波的傳統(tǒng)方法。

過(guò)去幾年來(lái)，各種納米材料的引入，賦能超聲技術(shù)支持各種疾病的診斷和治療，受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，成為醫(yī)學(xué)超聲檢測(cè)的一個(gè)重要領(lǐng)域。如今，納米技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入各種能夠監(jiān)測(cè)和控制納米顆粒的超聲波儀器。

納米聲學(xué)應(yīng)用

納米聲學(xué)表征

掃描聲學(xué)顯微鏡（SAM）

高頻聲波的波長(zhǎng)較短，可用于開(kāi)發(fā)聲學(xué)顯微鏡。這些顯微鏡具有與光學(xué)顯微鏡相近的分辨率?？茖W(xué)家們已經(jīng)在顯微鏡中利用納米聲學(xué)這一概念開(kāi)發(fā)了掃描聲學(xué)顯微鏡（SAM）。

早期使用SAM技術(shù)的顯微鏡最高可以提供10 μm的分辨率。后來(lái)，改進(jìn)后的版本可以在高達(dá)260 nm的波長(zhǎng)下工作。該技術(shù)主要用于生物學(xué)、結(jié)構(gòu)內(nèi)成像和光學(xué)不透明樣品的表征。

原子力聲學(xué)顯微鏡（AFAM）

SAM的分辨率有限。因此，為了在亞微米分辨率下表征材料特性，使用了另一種被稱為原子力聲學(xué)顯微鏡（AFAM）的技術(shù)。該技術(shù)可用于表征和映射納米級(jí)的機(jī)械性能。例如，根據(jù)最近的研究，該技術(shù)已被用于精確測(cè)量納米級(jí)分辨率的納米晶鐵氧體等材料的動(dòng)態(tài)楊氏模量。該技術(shù)的分辨率已高達(dá)10 nm。

納米聲學(xué)操縱

隨著納米制造、生物醫(yī)學(xué)和材料工程等納米技術(shù)的研究進(jìn)展，操縱納米顆粒、納米液滴和納米細(xì)胞正變得至關(guān)重要。這些操縱功能包括納米物體的定向、捕獲、分類、富集和組裝等。

研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多替代策略來(lái)實(shí)現(xiàn)這些操縱功能，可分為電學(xué)、光學(xué)、微流體、磁學(xué)、原子力顯微鏡、機(jī)械和聲學(xué)方法。

每種方法都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，相比之下，基于聲學(xué)的系統(tǒng)比其他技術(shù)存在若干優(yōu)勢(shì)。例如，基于聲學(xué)的技術(shù)可以提供多種操縱功能。這些方法也不需要特定的樣本屬性，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行。

納米聲學(xué)傳感

聲表面波（SAW）器件可以對(duì)機(jī)械、電氣、化學(xué)信號(hào)和其他擾動(dòng)做出響應(yīng)。這些器件的響應(yīng)特性使它們可以作為SAW傳感器。

這些納米聲學(xué)傳感器具有成本低、靈敏度高、卓越的響應(yīng)時(shí)間、緊湊的尺寸等優(yōu)點(diǎn)。此外，基于SAW的納米聲學(xué)傳感器還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、選擇性和線性度，并提供合適的傳感表面叉指換能器（IDT）和壓電基板設(shè)計(jì)。

除了基于SAW的傳感器，其他納米聲學(xué)傳感器也在開(kāi)發(fā)中。例如，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種柔性壓力傳感器，通過(guò)在兩片聚二甲基硅氧烷（PMDS）之間封裝金納米線制成。這種納米聲學(xué)傳感器展示了響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高、靈敏度高、功耗低等特點(diǎn)。這些特性結(jié)合機(jī)械柔性使該傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)心率，以及探測(cè)微小的振動(dòng)。

未來(lái)展望

納米聲學(xué)操縱在納米制造和生物醫(yī)學(xué)等各種應(yīng)用中展示了巨大的前景。不過(guò)，關(guān)于微通道內(nèi)產(chǎn)生SAW的基本原理的許多問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解答。

還需要進(jìn)行更深入的研究，以提高我們對(duì)這些現(xiàn)象的理解。納米聲學(xué)的實(shí)際應(yīng)用前景包括實(shí)現(xiàn)高精度和可控性的集成器件。

由于SAW傳感平臺(tái)的特性優(yōu)勢(shì)，面向提高選擇性的SAW器件功能化，有望成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。SAW傳感研究應(yīng)繼續(xù)探索新的傳感材料，以提高性能并擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

此外，還需要增強(qiáng)當(dāng)前基于SAW的納米聲學(xué)傳感器研究，因?yàn)槠渚窒扌灾皇切枰嘿F的電子檢測(cè)系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)分析儀，以有效記錄器件行為。因此，未來(lái)需要小型化便攜式數(shù)據(jù)采集器件，以捆綁到高度集成且具成本效益的系統(tǒng)中。

審核編輯 ：李倩